大型水泵電機振擺異常智能診斷系統的研究與應用

李偉山

（山西萬家寨引黃水務集團有限公司偏關分公司，山西 偏關 036400）

1 引言

山西萬家寨引黃水務集團有限公司偏關分公司下轄5 座大型泵站，主要承擔著將萬家寨水利樞紐大壩內的黃河水向省內太原、朔州、大同等地提供生活、生態和工業用水的使命，同時擔負著向首都永定河提供生態供水的重要任務。其中，總干線3 座泵站的設計流量為48 m3/s,年供水量12 億m3；每座泵站安裝10 臺立式單級單吸離心泵，8 工2 備；單泵流量6.45 m3/s，配套電機功率12 MW，總裝機容量為120 MW。

如何確保公司轄區內每臺機組的安全、穩定、高效運行，關系到公司供水事業的興衰，更是關系到供水沿線各大城市的重大民生問題。公司總一泵站6 號機組多次發生水導擺度異常波動，擺度最大上升至150 μm，且瓦溫升高約1 ℃。雖然均未達到報警值，但后期試運行擺度仍在較高范圍內波動，并有增大的趨勢；原因一直未能徹底查明。機組擺度不明原因波動增大，對機組安全運行構成威脅，對公司的正常有序供水產生較大影響。且擺度長期異常波動運行還可能對水泵轉輪、密封等造成損壞，而現有的運行經驗和手段不能完全解釋機組擺度增大發生的具體原因。目前只能將機組停運或拆解后檢查，這將會給穩定輸水造成了較大影響，且拆解回裝費用較大。因此急需有一套智能診斷系統，對引起擺度增大的原因進行分析，避免故障誤判，并減少不必要的機組拆解和回裝產生的高額費用。

2 水泵電機振擺異常智能診斷系統

針對總一泵站6 號機組長期存在擺度異常波動故障，公司擬通過搭建一套針對機組的全信息監測系統（如振動、電流、鍵相），并引入檢修相關靜態參量（如靜擺度、垂直同心度、軸瓦間隙、高程參數）。同時通過整體軸系的全信息擺度可視化監控，結合軸系中心位置變化趨勢等信息綜合分析，將6 號與7 號機組進行對比，通過一段時間的跟蹤對比分析，找到導致6 號機組擺度異常的根本原因。

2.1 系統架構

水泵電機振擺異常智能診斷系統的系統架構包括硬件和軟件設計框架，如圖1、2 所示，主要實現機組振擺監測及其他相關數據的采集、傳輸、儲存，以及最終在基于B/S 結構系統中的數據展示、分析圖譜和診斷結論等。萬家寨引黃工程是維系晉北和首都地區用水安全的重要水利工程，泵站相關設備管理，特別是機組自控系統的網絡安全管理非常嚴格。鑒于此種情況，將水泵電機振擺異常智能診斷系統單獨組網，使該系統網絡獨立于泵站的其他系統之外，以確保泵站其他自動化系統的網絡安全。

圖1 系統硬件整體框架

圖2 系統軟件技術框架

圖3 系統軟件總體設計

圖4 數據采集過程

2.2 系統設計

2.2.1 總體軟件設計

系統軟件總體功能設計可分為系統設置層、機組配置層、基礎分析層、高級分析層及數據挖掘層等。

系統設置層：主要包括組織機構、用戶設置、角色設置、權限設置、信息配置、操作日志等，以實現對系統的基礎設置；

機組配置層：主要包括機組設置、測點設置、傳感器設置、采集器設置等，以實現對機組測點信息的配置；

基礎分析層：主要包括波形分析、頻譜分析、故障頻率分析、趨勢分析等，以實現對監測點的基礎振動分析；

數據挖掘分析層：主要包括振動分析、智能診斷等，以實現對設備振動異常深度分析、設備故障部位確認；

展示層：對上述5 大功能模塊所對應的子功能的分析結果進行形象化展示。

2.2.2 核心功能設計

⑴狀態檢測：系統能夠實現機組運行狀態的自動在線監測，及時進行故障預測，同時支持在線數據處理和分析判斷。借助多種監測和分析方法，使運維人員能夠快速準確地了解機組運行狀況，并及時調整維護策略。在線監測帶有報警功能，可以及時提醒用戶設備運行狀態上的問題。

⑵基本分析：系統圖譜分析有波形分析、頻譜分析、故障頻率分析等功能模塊。

⑶全矢譜分析：該技術榮獲得1999 年度的國家科技進步獎，是當今世界范圍內三大旋轉機械同源數據融合分析體系之一，也是同源信息融合程度最高、體系最完善的分析技術，充分應用多渠道數據的互補性，利用對同源信息的融合提取技術，解決機組的疑難雜癥。

⑷智能診斷：本系統通過部署一套全信息智能診斷專家（IDES），提供自動化的智能診斷服務。智能診斷以智能報警作為觸發機制，每次報警事件后自動啟動智能診斷服務。系統安裝和調試階段將為本系統服務機組建立專用的知識庫。每次故障診斷推理后自動生成故障診斷報告，報告內容主要涵蓋：機組名稱、時間、故障名稱、故障部件、故障可信度、可能的處理措施列表等信息。

2.2.3 硬件設施設計

系統采用基于嵌入式平臺設計的智能振動數據采集模塊，用于實現對泵站關鍵設備振動信號的數據采集、特征參數計算和提取，并通過以太網絡通信接口將關鍵設備狀態數據傳送至系統服務器。

⑴智能數據采集器：可完成振動信號及轉速等傳感器信號的采集、調理和轉換，然后通過TCP/IP協議將振動的數字信號傳輸至中心服務器。

⑵低頻振動速度傳感器：具有寬頻響應、高靈敏度、優動態特性、低橫向靈敏度，以及抗干擾能力強等特點；應用于水泵蝸殼振動測量點。

⑶電渦流擺度傳感器：是一種非接觸式的線性化測量元件。具有長期工作可靠性好，測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾能力強、不受油污等介質的影響等優點；應用于電機和水泵中間的連接軸測量點。

3 系統實施

經前期的現場查勘和反復論證，最終確定該系統分三步實施：傳感器安裝、表計接入和聯網診斷。

3.1 傳感器安裝

根據系統規劃，每臺機組新增2 只電渦流傳感器、2 只振動速度傳感器及3 只電流互感器。

3.1.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器能測量被測金屬體與探頭端面的相對位置。其長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、不受油水等介質的影響， EEG01 系列一體化電渦流傳感器作為擺度測量傳感器，無前置器,傳感器信號線可直接接入采集器。新增擺度傳感器測點安裝于泵軸與電機軸聯接處，如圖5所示。

圖5 中間軸擺度傳感器安裝位置

安裝支架采用角鐵或槽鋼焊接，主支架成淺U型。支架制作需保證兩傳感器的在中間軸橫截面內互為90°。支架安裝，需保證傳感器在軸縱剖面平面內與軸線垂直。

3.1.2 振動速度傳感器

振動速度傳感器與被測物通過M10 螺栓連接，并焊接在水泵蝸殼上，監測蝸殼振動情況，如圖6所示。水泵轉速為600 r/min，工頻為10 Hz，為有效監測、診斷故障時的特征信號，采用低頻速度傳感器。

圖6 蝸殼振動速度傳感器安裝示意

3.1.3 電流互感器

電流互感器安裝在電機進線端，電機風洞旁電氣盤柜內，臨近電機原裝電流互感器位置。互感器信號線通過電機風洞，引入電纜橋架下的采集箱內。

3.2 表計接入

現場已安裝振動監測系統AN5800，該模塊前面板有BNC 數據緩存輸出和后面板端子緩存輸出。兩處緩存均能獨立輸出傳感器原始信號。因此可直接將數據采集器接入AN5800。經回路測試如有信號衰減，可補償衰減系數進行調整。

3.3 聯網診斷

該系統由智能報警策略監測機組振動信號，當振動信號某項指標超過報警閾值時，將進入智能報警判定邏輯，系統產生報警，并觸發智能診斷機制。智能診斷系統讀取振動和電氣信號，提取故障征兆，在本地規則庫中匹配處置規則，確定處置的故障范圍。當在本地規則庫中無法匹配處置規則時，系統會申請遠程聯網診斷或申請專家人工診斷。當每次診斷驗證后，系統將診斷知識及時同步補充到本地規則庫，以便更好地完善本地規則數據庫。

為確保泵站內其他自動化系統的網絡安全，該系統在設計之初就完全獨立于其他系統之外。聯網診斷功能僅限于遠程監測機泵的振動和擺度參數，數據異常時及時診斷故障，給出處理建議，不參與機泵的控制邏輯。

4 應用成效

大型水泵電機振擺異常智能診斷系統，充分結合引黃工程大型立式離心水泵機組的特點，研究論證機組振擺監測方案，通過接入現場表計數據及安裝擺度、振動傳感器、采集器等，建立機組全信息監測系統。運用智能故障診斷技術，強化診斷推理機制，優化診斷邏輯，形成一套基于機組振擺特征判定機組故障原因的方法，研發水泵電機振擺異常智能診斷系統，旨在實現實時監測機組振擺動態參數[1，2]。當設備振擺狀態發生異常變化時，系統能夠及時輔助判定故障原因和位置，以預防惡性事故的發生。這為機組的運行和維修決策提供了重要依據。

該系統采用實時監測，實時報警方式，一旦發生異常立刻通過監測終端提醒監控人員。同時本系統的智能診斷模塊，針對機組的振擺異常以及其他情況，通過獨有的基于部件的智能診斷評價系統，自動給出機組的診斷結果，以高可信度的方式給出機組故障部位、故障嚴重程度、處理建議等診斷結論，運維人員可參考智能診斷結果安排后續工作，從而實現對水泵的主動管理。同時提供全套信號分析體系，包括波形圖、頻譜圖、功率譜以及軸心位置、軸心軌跡、振型趨勢等分析方法，方便運維人員深入分析。極大地提升公司機組安全、穩定、可靠、高效運行的運維能力和經濟效益。

5 結語

大型水泵電機振擺異常智能診斷系統的研究、設計與應用，促進廣大運維人員及時準確掌握機泵的運行健康狀況，并為設備振擺異常故障提出科學處理建議，縮短檢修周期。同時，可為大型泵組及水電機組的狀態監測與診斷檢修提供更加完善和便捷的研究思路；其強大的聯網診斷、自學更新和智能診斷功能，也為大型工業設備的狀態監測指明了設計方向。